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2Th电子纯水设备及其PLC控制,th,电子,纯水,设备,装备,及其,plc,控制,节制
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目 录 毕业设计任务书 2 毕业设计调研报告 3 摘要 7 第一章 引言 8 1.1 相关历史的回顾 8 1.2 课题简介 9 第二章 题总体方案论述 10 2.1 电子纯水设备的简介 10 2.2 纯水的分类 11 2.3 可编程控制器 (PLC)的简介 12 第三章 设计总体设计框架和设计过程详细论述 15 3.1 工艺方面设计说明 15 3.2 水处理系统工艺流程 15 3.3 水处理工艺设计概论 16 3.4 PLC 控制部分 21 3.5 PLC 的编程 设计 28 第四章 结果和讨论 32 第五章 展望和总结 33 参考文献 36 附录 37 外文资料和翻译 38 nts第 2 页 共 56 页 毕 业 设 计 任 务 书 毕业设计题目 2T/h 电子纯水设备及其 PLC 控制 指导教师 林伟 职称 副教授 专业名称 机电一体化技术 班级 机电 20932 学生姓名 黄二闯 学号 2062093208 设计要求 1、 完成专业的英文翻译 2、 系统设计和相关元器件的选型 3、 绘制相应的设计图纸 4、论文说明说 完成毕业课题的计划安排 序号 内容 时间安排 1 外文资料翻译 212-2-20 至2012-3-3 2 搜集课题相关资料 2012-3-4 至2012-3-14 3 完成毕业设计说明书 2012-3-15 至2012-3-31 4 预审，修改 2012-4-1 至2012-4-19 5 答辩 2012-4-20 答辩提交资料 外文资料翻译，毕业设计说明书 计划答辩时间 2012.4.20 2012 年 2 月 20 日 nts第 3 页 共 56 页 毕业实践调研报告 在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。 1968 年美国 GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一 代可编程序控制器，称 ProgrammableController（ PC）。 机（简称 PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为 ProgrammableLogic Controller（ PLC）。 80 年代至 90 年代中期，是 PLC 发展最快的时期，年增长率一直保持为3040%。在这时期， PLC 在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高， PLC 逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的 DCS 系统。 PLC 具有通用 性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。 PLC 在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。 PLC 分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式 PLC 包括 CPU 板、 I/O 板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式 PLC包括 CPU 模块、 I/O 模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。 PLC 是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺 序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。 PLC 及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。 ” 高可靠性是电气控制设备的关键性能。 PLC 由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的 F 系列 PLC 平均无故障时间高达 30 万小时。一些使用冗余 CPU 的 PLC 的平均无故障工作时间则更长。从 PLC 的机外电路来说，使用 PLC 构成控制系统， 和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外， PLC 带nts第 4 页 共 56 页 有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除 PLC 以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。 PLC 发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代 PLC 大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来 PLC 的功 能单元大量涌现，使 PLC 渗透到了位置控制、温度控制、 CNC 等各种工业控制中。加上 PLC 通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用 PLC 组成各种控制系统变得非常容易。 PLC 作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用 PLC 的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。 PLC 用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控 制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。 以超小型 PLC 为例，新近出产的品种底部尺寸小于 100mm，重量小于 150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。 目前， PLC 在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。 这是 PLC 最基本、最广泛的应用领域，它取 代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。 在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（ Analog）和数字量（ Digital）之间的 A/D 转换及 D/A 转换。 PLC 厂家都生产配套的 A/D和 D/A 转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。 nts第 5 页 共 56 页 PLC 可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早 期直接用于开关量 I/O 模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要 PLC 厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。 过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机， PLC 能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。 PID 调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型 PLC 都有 PID 模块，目前许多小型 PLC也具有此功能模块。 PID 处理一般是运行专用的 PID 子程序。过程控 制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。 现代 PLC 具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。 PLC 通信含 PLC 间的通信及 PLC 与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发 展，工厂自动化网络发展得很快，各 PLC 厂商都十分重视 PLC 的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的 PLC 都具有通信接口，通信非常方便。 世界上公认的第一台 PLC 是 1969 年美国数字设备公司（ DEC）研制的。限于当时的元器件条件及计算机发展水平，早期的 PLC 主要由分立元件和中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。 20 世纪 70 年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器，使 PLC 增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。为了方便熟悉继电器 、接触器系统的工程技术人员使用，可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言，并将参加运算及处理的计算机存储元件都以继电器命名。此时的 PLC 为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。 20 世纪 70 年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、 PID 功能及极高的性价比奠定了它在现nts第 6 页 共 56 页 代工业中的地位。 20 世纪 80 年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。这个时期可编程控制器 发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。 20 世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。目前，可编程控制器在机械制造、石油化工 、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。 我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了 PLC 的应用。目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。上海东屋电气有限公司生产的 CF 系列、杭州机床电器厂生产的 DKK 及 D 系列、大连组合机床研究所生产的 S 系列、苏州电子计算机厂生产的 YZ 系列等多种产品已具备了一定的规模并在工业产品中获得了应用。此外，无锡华光公司、上海乡岛公司等中外合资企业也是我国比较 著名的 PLC 生产厂家。可以预期，随着我国现代化进程的深入， PLC 在我国将有更广阔的应用天地。 21 世纪， PLC 会有更大的发展。从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现；从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展；从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求；从市场上看，各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言；从网络的发展情况来看，可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。 nts第 7 页 共 56 页 摘要 ： 自 20 世纪 70 年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器，使 PLC 增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。到 20 世纪 70 年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、 PID 功能及极高的性价比奠 定了它在现代工业中的地位。由于具有上述优点，可编程控制器已受到广泛的应用，目前我国经济的发展主要特点： 1 、目前我国还是制造业大国，是世界的生产加工中心，有大量的制造业，就必须用各种生产设备，大部分生产设备都和 PLC 有关，需要大量的精通 PLC 控制的从业人员。 2 、产业结构已发生调整，逐渐有劳动力密集型转化为技术密集型，大量的新设备被采用，这些设备很多都和 PLC 控制相关，需大量的高技术人才。 目前和 PLC 有关的从业人员主要有： 1 、企业的设备维护和维修人员 2 、从事工控设备销售的人员 3 、从事设备开发，编程的电气工程师。因此，此次毕业设计中通过对 PLC 的学习、应用，以 PLC 为核心，辅以必要的电路，来完成对反渗透设备的自动控制，使其能准确的收集反馈信号，并发出相应的指令来使设备完成相应的动作。在毕业设计完成后，以便能使自己对 PLC 的认识和应用不如一个新的台阶。 关键词 ： 可编程控制器 反渗透设备 nts第 8 页 共 56 页 第一章 引言 1.1 相关历史回顾 水是人类生存的基本条件，又是国民经济的生命线。随着人口和经济的增长，一方面人类对水的需求量和品质要求越来越高，另一方面，水污染的范围和程度也越来越大。 解决水资源短缺和水污染的一个主要途径在于水处理。在很多地方并不是没有水，而是水质不合用。如果能通过人工和自然的处理，使水满足用户和环境的各种要求，并循环使用，则缺水问题将不复存在。当然，在现有技术经济的条件下，除了处理途径，还有其他解决办法可以选择。 水处理的主要任务是改善水质，即运用工程技术将源水中的杂质去掉，加工成符合生产和生活使用水质要求的成品水，并输送到用户，以及收集使用过的废水并处理到水质符合循环使用或排放要求。特别是在光伏行业中，为了做出高品质高质量的产品，对水的品质要求越来越高， 对水的纯度也越来越高。 反渗透设备是一种将自来水制作为超纯水的装置。反渗透纯水机组核心元件反渗透（ RO）膜 。该设备就是用三菱 PLC 控制电动磁阀和泵控制管路的通断。使出水的纯度和电导率达到客户的要求。而目前反渗透设备还需要专人的看护，占用了人力资源。而由可编程控制器（ PLC）组成的反渗透设备运行逻辑控制系统，正以很快的速度发展着，采用 PLC 控制的反渗透设备运行可靠性高，可以完成很复杂的逻辑控制。 可编程序控制器，是微机技术与继电器常规控制技术相结合的产物，是在顺序控制器和微机控制器的基础上发展起来的新型控制 器，是一种以微处理器为核心用作数字控制的专用计算机。自 1969 年针对工业自动控制的特点和需要而丌发的第一台 PLC 问世以来，迄今己 30 多年，它的发展虽然包含了前期控制技术的继承和演变，但又不同于顺序控制器和通用的微机控制装置。它不仅充分利用微处理器的优点来满足各种工业领域的实时控制要求，同时也照顾到现场电气操作维护人员的技能和习惯，摒弃了微机常用的计算机编程语言的表达方式，独具风格地形成一套以继电器梯形图为基础的形象编程语言和模块化的软件结构，使用户程序的编制清晰直观、方便易学，调试和查错都很容易。用户买到所 需 PLC后，只需按说明书或提示，做少量的安装接线和用户程序的编制工作，就可灵活而方便地将 PLC 应用于生产实践。而且用户程序的编制、修改和调试不需要具有nts第 9 页 共 56 页 专门的计算机编程语言知识。这样就破除了“电脑”的神秘感，推动了计算机技术的普遍应用。可编程序控制器 PLC 在现代工业自动化控制中是最值得重视的先进控制技术。 PLC 现已成为现代工业控制三大支柱 (PLC、 CAD CAM、 ROBOT)之一，以其可靠性、逻辑功能强、体积小、可在线修改控制程序、具有远程通信联网功能，易与计算机接口、能对模拟量进行控制、具备高速记数与位控等 高性能模块等优异性能，同益取代由大量中间继电器、时间继电器、记数继电器等组成的传统的继电一接触控制系统，在机械、化工、石油、冶会、轻工、电子、纺织、食品、交通等行业得到广泛应用。 PLC 的应用深度和广度已经成为一个国家工业先进水平的重要标志之一。 总之，可编程控制器的使用为反渗透设备的控制提供了广阔的空间， PLC 是专门为工业过程控制而设计的控制设备，随着 PLC 应用技术的不断发展，将使得它的体积大大减小，功能不断完善，过程的控制更平稳、可靠，抗干扰性能增强、机械与电气部件有机地结合在一个设备内，把仪表、电子和计 算机的功能综合在一起。 1.2 课题简介 课题所研究的内容主要是用可编程控制器（ PLC）改造在用反渗透设备自动控制系统。由于大部分老式设备的电控系统可靠性欠佳，用户寻求对设备 |的电控系统进行改造，以节约资金。因此，对反渗透设备的控制技术进行研究，找出一条适合反渗透设备的改造之路，并进而提高水处理方面的技术水平和质量，具有十分重要的意义。 针对老式设备采用的继电器逻辑控制方式存在功能弱、故障多、可靠性差和工作寿命短等缺陷，提出采用功能强、故障率低、可靠性高的可编程控制器（ PLC）来控制反渗透设备。 首先对反 渗透系统及可编程控制器（ PLC）作了比较全面的总结和介绍。确定了系统的总体结构，由 PLC 来实现反渗透设备信号控制，完成了电机和可编程控制器（ PLC）的选择。然后是系统硬件开发，完成了 PLC 的选型、 I/O 点数分配与 PLC 的连接。在分析了反渗透系统的软件设计方法基础上，设计出了软件流程图，提出了模块化编程思想，介绍了系统的软件开发。最后对反渗透系统 进行模拟调试。 nts第 10 页 共 56 页 第二章 选题总体方案论述 2.1 电子纯水设备的简介 水一向被称为工业系统的“血液”。随着高新技术的发展，工业部门对水、气、化学试剂 及环境这些基础条件提出了越来越高的要求。这也促进了相应产业和技术的进步，水作为一种应用量最大、面最广的基本材料，其发展的速度尤为迅速。当今，纯水和超纯水已成为现代工业部门必不可少的基础材料之一，它们在电子、医药、能源、化工、汽车、机械、电镀、电池、冶金等几乎全部的工业及实验室领域中已得到了广泛的应用。 （ 1）纯水在电子工业中的应用 纯水在电子工业中主要用作超大规模（ VLSI）和甚大规模集成电路芯片（ ULSI）清洗水。自 1958 年世界上第一块集成电路问世以来，尤其是最近 20 年来，几乎每隔 2 3 年就有一代产品问 世，其集成度达到 0.15 m 以下，不断地给人类生活和现代科学技术的发展产生深远的影响。在集成电路的生产过程中有几百道工序，其中 80%以上的工序要使用高纯水进行清洗。水中的各种微量杂质（电解质、颗粒、有机物、细菌、硅、溶解气体）对产品质量都会有重要影响，因此高品质的纯水对集成电路的生产直至关重要。 VLSI 和 ULSI 对水质的要求成为当代高纯水水质的极限。可以说没有高纯水就没有现代电子工业。 （ 2）纯水在医药工业中的应用 纯水在医药工艺中有着十分广泛的应用。在药品生产中，不论容器的洗涤，还是原料、制剂的生产均 离不开水。水是药物生产中用量最大、使用最广的一种原谅，其质量好坏直接关系到药品质量。一般所讲的制药用水，是指要用纯水。各国的药典对药用纯水的规定各不相同。中国药典 1995 版收载有蒸馏水、注射用水和灭菌注射用水，美英等国的药典则收载有精制水、注射用水、灭菌注射用水、灭菌吸入用水和灭菌冲洗用水。 2000 版的中国药典取消了“蒸馏水”的名称而代之“纯净水”，定义为“本品为蒸馏法、离子交换法、反渗透法或其他事宜的方法制得供药用的水，不含任何附加剂”。纯化水可用作配置普通药物制剂用的溶剂或试验用水，注射用水用作配置注射 剂。 （ 3）纯水在能源工业中的应用 能源工业如火电厂和核电公司在电能生产的过程中需要用大量的高纯水作nts第 11 页 共 56 页 为锅炉的供水，因此电力公司也是高纯水的主要用户。电厂锅炉的补给水有着较严格的质量标准，不合格的水进入水汽循环系统，将有可能导致热力设备结垢、腐蚀、过热器和汽轮机的积盐等各种危害。随着高参数、大容量火电机组的迅速发展，对高压锅炉和超高压锅炉的补给水水质提出了更高的要求。 （ 4）纯水在化工工业中的应用 纯水、超纯水在化学工业中的应用也十分广泛。化学工业中也常常需要涉及锅炉用水，纯水的应用可以保证锅炉及整个 系统的正常运转。除了锅炉补给水以外，化学工业生产中的工艺用水也需要纯水，通常水量较大。在精细化工产品的生产中，反应用水、洗涤用水、结晶用水等对水质要求高，需要大量的纯水。这些工艺用水对水质要求通常为 1 5M cm，单机制水能力也较小，通常为 120t/h。在离子膜法制碱工艺中的许多工序都需用无离子水，如电解工段离子膜碱浓度的调节，过滤二精工段树脂的再生，高纯酸工段高纯盐酸的生产等。在化工高纯材料，如电子工业用 MOS 级试剂高绝缘性能的微粉及纳米级化工材料的生产工艺中需要用 18M cm 的超纯水。 （ 5） 纯水在其他工业中的应用 纯水在轻工业如造纸厂、食品加工厂中也有着广泛的应用。在只讲和造纸厂、化学加工工厂、食品加工系统中需要用锅炉来生产仅供加热的蒸汽。在这些应用中，所需蒸汽的质量不同于电厂所需的蒸汽质量。二氧化硅的沉淀和涡轮机叶片的腐蚀不是问题，比较而言，返回管线中冷凝液的酸性腐蚀才是最重要的。这涉及去除水中的碳酸氢盐和碳酸盐的碱度，避免这些化合物在锅炉中的解离，以及产生的二氧化碳进入冷凝管线。在这些工业过程中，提高锅炉用水的纯度是十分必要的。 2.2 纯水的分类 在工业用水中，根据对水的不同要求可按其纯 度进行分类。 1 软化水 一般是是指将水中的 Ca2+、 Mg2+等离子的含量降低或去除至一定程度的水。水在软化过程中，硬度降低，软化水一般广泛用于低压工业锅炉用水。软化方法通常为离子交换法和药剂软化法。 2 纯水 又称去离子水。一般是指用物理、化学的方法将水中易于去除的强电解质去nts第 12 页 共 56 页 除之外，还将水中难以去除的硅酸即二氧化碳等弱电解质去除至一定程度的水。25时纯水中的电导率一般为 0.11 S/cm，剩余含盐量一般应在 1mg/L 以下。纯水制备的常用方法有离子 交换、灭菌、膜分离等方法。 3 高纯水 又称“超纯水”。一般是指将水中的导电介质几乎完全去除，又将水中不离解的胶体物质、气体即有机物均去除至极低程度的水。高纯水中剩余含盐量应在0.1mg/L 以下， 25时的电导率在 0.1 S/cm 以下。 4 理论水 又称理想水，即不含任何杂质的水，这样的水是不存在的。 5 脱盐水（包括一级脱盐与二级脱盐） 一般是指用物理、化学等方法将水中易于去除的强电解质去除至一定程度的水。在除盐过程中亦 除去了部分机械杂质和有机物质。脱盐水中的剩余含盐量一般应在 15mg/L， 25时的电导率为 110 S/cm。常用的脱盐方法有蒸馏、膜分离、离子交换或几种方法的组合使用。 2.3 可编程控制器 (PLC)的简介 1.3.1 PLC 发展历史 早期的工业控制中采用的继电器控制系统属于固定接线的逻辑控制系统，控制系统的结构随功能的不同而不同。系统中采用的机械电器式器件本身不足影响了控制系统的各种性能，无法适应现代工业发展的需要。而 PLC 的产生则弥补了这些不足。 PLC 的产生 首先是在 1968 年美国通用汽车公司（ GM） ，为了适应激烈的市场竞争，制定出多品种小批量、多品种、不断推出新车型来吸引顾客的战略，提出了以下几个 招标要求： （ 1）软连接代替硬接线 （ 2）维护方便 （ 3）可靠性高于继电器控制柜 （ 4）体积小于继电器控制柜 （ 5）成本低于继电器控制柜 （ 6）有数据通讯功能 （ 7）输入 115V （ 8）可在恶劣环境下工作 （ 9）扩展时，原系统变更要少 （ 10）用户程序存储容量可扩展到 4K。 这就初步形成了 PLC 的雏形，而在 1969年美国 DEC 公司研制出世界上第一台 PLC（ PDP-14），并在 GM 公司汽车生产线上应用成 功 。这种新型的工业控制装置以其简单易懂、操作方便、可靠性高、使用灵活、体积小、寿命长等一系列因素很快就推广到食品饮料、冶金、造纸等其他工业领域。随后在 1971 年，日本nts第 13 页 共 56 页 研制出第一台 DCS-8； 1973 年，德国研制出第一台 PLC ；我国从 1974 年开始研究， 1977 年开始应用于工业领域。 随着微电子技术和计算机技术的迅速发展，微处理器被广泛应用于课编程控制器的设计中，使其功能增强，速度加快，体积减少，成本下降，可靠性高，更多的具有了计算机功能。在课编程控制器 (PLC)的早期设计中，虽然采用了计算机的设计思想，但只 用来代替继电器实现逻辑（开关量）控制，主要用于顺序控制，所以被称为可编程控制器，简称 PLC。随着技术的发展，这种装置的功能早已大大超过了逻辑控制的范围。 国际电工委员会定义 PLC：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下的应用而设计，它采用可编程的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数、和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出来控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其相关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。 1.3.2 PLC 发展方向 随着技术的发展特别是超大规模集成电路技术的迅速发展及其在 PLC 中的广泛应用， PLC 中采用更高性能的微处理器作为 CPU,功能进一步增强，逐步缩小了与工业控制计算机之间的差距 现代 PLC 的发展有两个主要趋势。其一是体积更小、速度更快、功能更强和价格更低的微小型方面发展；其二是向大型网络化、高可靠性、良好的兼容性和多功能方面发展，趋向于当前工业控制计算机的性能。 2.3.3 PLC 的特点 PLC 把微型计算机技术和继电器控制技术融合在一起，兼具计算机的功能完备、灵活性强、通用性好以及继电器 接触控制系统的简单易懂、维修方便等特点，主要体现在以下几个方面： （ 1）编程简单易学 PLC 的程序设计大多采用类似于继电器控制电路的梯形图语言，梯形图主要是有人们熟悉的常开常闭触电，线圈，定时器，计数器等符号组成。对于使用者来说只要有一点电气控制方面的相关基础知识，而不需要具备计算机方面的专业知识，因此很容易为一般工程技术人员所掌握操作。 （ 2）可靠性高 工业现场一般环境比较恶劣，如：高温、潮湿、震动、冲nts第 14 页 共 56 页 击、粉尘和强电干扰等，因此工业生产对控制系统的可靠性要求很高。 PLC 是专为工业控制设计的，能适应工 业现场的恶劣环境。 （ 3）功能强 PLC 综合运用了微电子技术、通信技术、自动控制技术和计算机技术，除了具有逻辑、定时、计数等顺序控制功能外，还能进行各种算术运算、模拟量处理、 PID 调节、运动控制、过程监视、网络通信、远程 IO、内部和外部中断以及高速数据处理能力，因此可以满足工业控制中各种复杂要求。 （ 4）安装简单，维修方便 PLC 可以在各种工业环境下直接安装运行，使用时只需要根据控制要求编写程序，将现场各种输入设备 输出设备与 PLC的 IO口相连接，系统便可以投入运行。 （ 5）采用模块化结构 为了适应各种工业控制要求，除了单元式的小型PLC 以外，绝大多数 PLC 均采用模块化结构。 PLC 中的 CPU、直流电源、 IO 模块等各种功能单元都用模块化设计，由各机架，电缆连接。 （ 6）接口模块丰富 PLC 除了具有 CPU 和存储器以外，还有丰富的 IO接口模块，对工业现场的不同信号有相应的转换设备。 （ 7）系统设计与调试周期短 用 PLC 进行设计时，用程序代替继电器硬接线，控制柜设计与安装量得到大量减少。设计与施工同时进行，大大缩短了工期。 2.3.4 PLC 的应用 经过长期的工程实践， PLC的上述特点 越来越为广大技术人员所认识和接受，已经广泛的应用到石油、化工、机械、钢铁、交通、电力、轻工、采矿、水利、环保等各个领域，包括从单机自动化到工厂自动化，从机器人、柔性制造系统到工业控制网络。从功能来看， PLC 的应用范围大致包括以下几个方面：（ 1）逻辑（开关量）控制；（ 2）定时控制；（ 3）计数控制；（ 4）步进控制；（ 5）模拟量处理和 PID 控制；（ 6）数据处理；（ 7）通信和联网功能。 nts第 15 页 共 56 页 第三章 设计总体设计框架和设计过程详细论述 3.1 工艺方面设计说明 电子纯水制造的发展情况： 方案一：预处理 阳床 阴床 混床 方案二：预处理 RO 反渗透 混床 方案三：预处理 RO 反渗透 EDI 第二种方案减少了酸碱的使用，同时提高了纯水质量，但成本较高。第三种方案无需酸碱，可以达到的纯水质量跟高，但成本很高。 第三种方案达到的纯水质量高，节能环保，是未来纯水制造发展的主流，我选择第三种方案进行设计说明 3.2 水处理系统工艺流程 根据水质情况和各部分进水要求，设计水处理系统工艺流程如下： 3.2.1 主系统 原水箱原水泵多介质过滤器活性炭过滤器精密过滤器一级反渗透 二级反渗透纯水箱 EDI 泵 EDI EDI 水箱 3.2.2 辅助系统 1) 阻垢剂注入系统 阻垢剂溶解计量箱计量泵精密过滤器进口母管 2) 氢氧化钠注入系统 氢氧化钠溶解计量箱计量泵二级反渗透进口母管 3) 膜清洗系统 清洗溶液箱清洗泵精滤器膜组件清洗接口 4) EDI 清洗系统 清洗溶液箱清洗泵精滤器 EDI 模块清洗nts第 16 页 共 56 页 3.3 水处理工艺设计概论 本水处理系统设计由预处理部分、 RO 反渗透系统部分、 EDI 模块部分和清洗部分组成。 2.3.1 预处理部分（多介质过滤器 +活性炭过滤器 +保安过滤器）： 原水预处理的主要作用： 防止胶体物质污染堵塞； 防止有机物 污染堵塞； 防止强氧化剂对反渗透膜的氧化损伤； 前处理系统出水指标： 浊度： 阳床 阴床 混合床第二阶段：预处理过滤器 反渗透 混合床目前阶段：预处理过 滤器 反渗透 EDI（无需酸碱） 近几十年以来，混床离子交换技术（ D）一直作为超纯水制备的标准工艺。由于其需要周期性的再生且再生过程中消耗大量的化学药品（酸碱）和工业纯水，并造成一定的环境问题，因此需要开发无酸碱 超纯水系统 。 正因为传统的离子交换已经越来越无法满足现代工业和环保的需求，于是将膜、树脂和电化学原理相结合的 EDI 技术成为水处理技术的一场革命。其离子交换树 脂的的再生使用的是电能，而不再需要酸碱，因而更满足于当今世界的环保要求。 3.3.4 清洗和加药系统部分 nts第 20 页 共 56 页 1、 阻垢剂投加系统 反渗透装置在长时间运行后，会在膜表面逐渐形成结垢物，严重时对产水量影响较大，为降低反渗透膜结垢的倾向，减少化学清洗的次数，固本系统设置了阻垢剂投加系统，选用进口美国阻垢剂 MDC 系列。本系统的计量泵选用德国普罗敏特公司（大连）产品，另配 50L 计量箱 1只。 2、 NaOH 投加系统 因反渗透膜对 CO2截留率低，且一级反渗透脱盐装置产水 pH 值小于6.0，在此条件下， CO2溶解度较高，使一级反渗透装置产水中含有较高的 CO2，经二级反渗透装置处理后，产水 pH 值和电导率达不到技术指标，因此二级反渗透装置进水需要进行 pH 值调节。在二级反渗透进水处注入 NaOH 溶液，调节进水的 pH 值至 7.0左右。这样，一方面 CO2和 OH-反应生成 HCO3-，反渗透对 HCO3-有很高的去除率，使产水电导率指标得到了保证，另一方面，调整进水 pH 值在 7.0 左右，使反渗透处在最佳工作条件，同时使产水的 pH 值符合要求。 3 化学清洗系统 A， RO 反渗透清洗部分 无论预处理多么完善。反渗透装置运行较长时间后，总会出现产水量下降，脱盐率下 降和压差上升等现象，这是由于水中的污染物在膜面结垢引起的，需用化学药剂进行循环清洗。 nts第 21 页 共 56 页 在化学清洗箱中配制好一定浓度的化学药剂，然后切换相应的阀门，就可对某台需清洗的设备进行化学清洗。 清洗系统由清洗溶液箱、清洗泵、管阀件等组成。 本系统反渗透装置的给水采用较为合理的预处理，膜的化学清洗的频率将大大减少。 B， EDI 模块清洗部分 EDI 模块清洗示意图 3.4 PLC 控制部分 本水处理系统的控制分手动及 PLC 控制两部分： 3.4.1 手动部分 1、多介质过滤器、活性炭过滤器反洗时阀门切换采用手动操作； 2、反渗透主机的化nts第 22 页 共 56 页 学清洗采用手动； 3、混床的再生过程采用手动操作。 3.4.2 自动部分 1、原水箱进水采用浮球液位控制； 2、投加药剂与 RO 主机联动，自动投加； 3、反渗透主机系统采用 PLC 程序控制，与纯水箱液位实现连锁，当纯水箱达设定高液位时，反渗透主机自动执行关机程序，反之则开机，并设置如下功能： A、低压断水保护； B、开机自动膜面冲洗； C、混床出口采用自动高压防爆装置，以免误操作引起局部压力过高，损坏交换柱 3.4.3 PLC 控制方面设计和各原件选型 PLC 等硬件选择和电气控制图， PLC 程序编 写 1、 PLC 等硬件选择和电气控制图 PLC的型号有许多，根据厂家的分类有：三菱公司的 FX系列，西门子公司的S7系列，欧姆龙公司的 C系列，松下公司的 FP系列，等等。而根据 I/O点数分类，可以有：点数在 256点以下的 PLC为小型机，点数在 256 1024之间的 PLC为中型机，点数在 1024以上的 PLC为大型机。 要在如此多的 PLC之中选择使用的 PLC也是有一定的方法的。首先考虑的是编程人员所用的编程软件，而一般的 PLC都有其对应的编程软件来编程，例如：三菱的 FX系列的 PLC所用的编程软件有 GPPW编程软件和 FX编程软件，而西门子公司的编程软件有 S7编程软件，而两种编程软件的显示是不同的，对应的特殊触点，特殊地址也是不同的，因此首先要考虑的编程人员所用的 PLC编程软件的种类来确定使用 PLC的种类。其次是所使用的 PLC的硬件方面的要求，例如：所使用到的输入触电的数目的多少和输出触点的数目的多少来确定 PLC的 I/O数目的多少，确定 PLC的型号，如果选多了则是显得浪费，如果选择少了，多应得控制点数不够，就不能完成对应的动作要求，所以 I/O点数的多少来确定 PLC的型号是有很大的重要性的。 而我们所用的是三菱的 FX系列的编 程软件，所以也选择三菱 FX-2N的 PLC。 nts第 23 页 共 56 页 FX-2N是三菱 FX系列中功能最强、速度最快的小型 PLC。他的基本指令执行时间高达 0.08us，内置的用户存储器为 8k步，可扩展到 16k步。 I/O最多可扩展到256个，并提供多种特殊功能模块或功能扩展模块，可实现多轴定位控制。 根据设计的要求，选择具有 36个输入点数和 24个输出点数的 FX-1N-60MR的三菱 PLC，可以满足条件。 3.4.4 其他硬件的选型 1.低压断路器的选择 低压断路器分为 万能式断路器 和塑料外壳式断路器两大类，目前我国万能式断路器主要生产有 DWl5、 DWl6、 DWl7(ME)、 DW45等系列， 塑壳断路器 主要生产有 DZ20、 CMl、 TM30等系列。断路器都是由本体和附件组成。本体是不带任何附件，但能确保顺利合、分 电路 ，并且有在电路或设备发生过载、短路等事故时，自动切断故障的功能。而附件作为断路器功能的派生补充，为断路器增加了控制手段和扩大保护功能，使断路器的使用范围更广、保护功能更齐全、操作和安装方式更多。 目前断路器附件已成为断路器不可分 割的一个重要部分，但附件并不是越齐全越好，这就要根据具体的控制 线路 和保护线路来合理地应用附件，避免造成不必要的浪费，同时要分清电压等级，交流或直流，辅助触头的对数等， 当线路发生短路或严重过载电流时，短路电流超过瞬时脱扣整定电流值，电磁脱扣器产生足够大的吸力，将衔铁吸合并撞击杠杆，使搭钩绕转轴座向上转动与锁扣脱开，锁扣在反力弹簧的作用下将三副主触头分断，切断电源。当线路发生一般性过载时，过载电流虽不能使电 磁脱扣器动作，但能使热元件产生一定热量，促使双金属片受热向上弯曲，推动杠杆使搭钩与锁扣脱开，将主触头分断，切断电源。在此次设计中，用了源水泵、高压泵、淡水泵、纯水泵四台电机，为了防止电路中的电流过大而使电路烧毁，因此在电路中加入低压断路器，保护电路。为此，正确的选择低压断路器需要考虑以下几点： （ 1）断路器额定电压大于或等于线路额定电压； （ 2）断路器欠压脱扣器额定电压等于线路额定电压； （ 3）断路器分励脱扣器额定电压等于控制电源电压； （ 4） 断路器壳架等级的额定电流大于或等于线路计算负载电流； nts第 24 页 共 56 页 （ 5）断 路器额定电流大于或等于线路计算电流； （ 6）断路器的额定短路通断能力大于或等于线路中最大短路电流； （ 7）线路末端单相对地短路电流大于或等于 1.5倍断路器瞬时（或短延时）脱扣器整定电流； （ 8）断路器的类型应符合安装条件、保护性能及操作方式的要求。 2. 24V开关电源的选择 随着电力电子技术的高速发展， 电力电子设备 与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源，进入 80年代 计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代，进入 90年代开关电源相继进入各种电子、电器设备领域， 程控交换机 、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发展。开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源， 开关电源一般由 脉冲宽度调制 （ PWM）控制 IC和 MOSFET构成。开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源，这一成本反转点。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广泛的发展空间。 开关电源高频化是其发展的方向，高频化使开关电源小型化，并 使开关电源进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。另外开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。 24V开关电源的工作源理是 : （ 1）交流电源输入经整流滤波成直流； （ 2）通过高频 PWM(脉冲宽度调制 )信号控制开关管 ,将那个直流加到 关变压器初级上； （ 3）开关变压器次级感应出高频电压 ,经整流滤波供给负载； （ 4）输出部分通过一定的电路反馈给控制电路 ,控制 PWM占空比 ,以 到稳定输出的目的。 3. 热继电器的选择 （ 1）工作源理： nts第 25 页 共 56 页 热继电器是由流入热元件的电流产生热量，使有不同膨胀系数的双金属片发生形变，当形变达到一定距离时，就推动连杆动作，使控制电路断开，从而使接触器失电，主电路断开，实现电动机的过载保护。继电器作为电动机的过载保护元件，以其体积小，结构简单、成本低等优点在生产中得到了广泛应用。 （ 2）热继电器的主要技术参数： 额定电压：热继电器能够正常工作的最高的电压值，一般为交流 220V，380V， 600V。 额定电流：热继电器的额定电流主要是指通过热继电器的电流。 额定频率：一般而言，其额定频率按照 4562HZ设计。 整定电 流范围：整定电流的范围有本身的特性来决定。它描述的是在一定的电流条件下热继电器的动作时间和电流的平方成正比。热继电器的作用是：主要用来对异步电动机进行过载保护，他的工作源理是过载电流通过热元件后，使双金属片加热弯曲去推动动作机构来带动触点动作，从而将电动机控制电路断开实现电动机断电停车，起到过载保护的作用。鉴于双金属片受热弯曲过程中，热量的传递需要较长的时间，因此，热继电器不能用作短路保护，而只能用作过载保护 。 （ 3）组成结构 它由发热元件、双金属片、触点及一套传动和调整机构组成。发热元件是一段阻值不大的 电阻 丝，串接在被保护电动机的主电路中。双金属片由两种不同热膨胀系数的金属片辗压而成。图中所示的双金属片，下层一片的热膨胀系数大，上层的小。当电动机过载时，通过发热元件的电流超过整定电流，双金属片受热向上弯曲脱离扣板，使常闭触点断开。由于常闭触点是接在电动机的控制电路中的，它的断开会使得与其相接的接触器线圈 断电，从而接触器主触点断开，电动机的主电路断电，实现了过载保护。热继电器动作后，双金属片经过一段时间冷却，按下复位按钮即可复位。 （ 4） 选择方法 热继电器主要用于保护电动机的过载，因此选用时必须了解电动机的情况，如工作环境、启动电流、负载性质、工作制、允许过载能力等。 1、源则上应使热继电器的安秒特性尽可能接近甚至重合电动机的过载nts第 26 页 共 56 页 特性，或者在电动机的过载特性之下，同时在电动机短时过载和启动的瞬间，热继电器应不受影响 (不动作 )。 2、当热继电器用于保护长期工作制或间断长期工作制的电动机时，一般按电动机的额定 电流来选用。例如，热继电器的整定值可等于 0.951.05倍的电动机的额定电流，或者取热继电器整定电流的中值等于电动机的额定电流，然后进行调整。 3、当热继电器用于保护反复短时工作制的电动机时，热继电器仅有一定范围的适应性。如果短时间内操作次数很多，就要选用带速饱和 电流互感器 的热继电器。 4、对于正反转和通断频繁的特殊工作制电动机，不宜采用热继电器作为过载保护装置，而应使用埋人电动机绕组的 温度继电器 或热敏电阻来保护。 热继电器的断相保护功能是由内、外推杆组成的差动放大机构提供的。当电动机正常工作时，通过热继电器热元件的电流正常，内外两推杆均向前移至适当位置。当出现电源一相断线而造成缺相时，该相电流为
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